國(guó)外SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)分析與啟示

張曉峰 張文佳 郭偉峰 林文立 劉治鋼

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

國(guó)外SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)分析與啟示

張曉峰 張文佳 郭偉峰 林文立 劉治鋼

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

介紹了國(guó)外合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星電源系統(tǒng)的特點(diǎn)，從SAR衛(wèi)星成像模式多、峰值功率大、較大的載荷平臺(tái)功率比以及脈沖功率工作等方面分析了其對(duì)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求；介紹了歐洲和加拿大研制的Cosmo-Skymed衛(wèi)星、TerraSAR-X衛(wèi)星、Radarsat-2衛(wèi)星、Sentinel-1衛(wèi)星、Earth CARE衛(wèi)星等的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況，對(duì)其電源系統(tǒng)拓?fù)?、母線(xiàn)體制、太陽(yáng)電池陣功率調(diào)節(jié)方式、鋰離子蓄電池組配置等技術(shù)方案的特點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)，在此基礎(chǔ)上提出了我國(guó)SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的建議。

SAR衛(wèi)星；電源系統(tǒng)；設(shè)計(jì)方案

1 引言

合成孔徑雷達(dá)（SAR）成像衛(wèi)星可以提供全天時(shí)和全天候環(huán)境下的高空間分辨率全球觀測(cè)能力，其具有成像模式多、峰值功率大以及脈沖工作等特點(diǎn)，對(duì)衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了新的需求和挑戰(zhàn)。

國(guó)內(nèi)大功率SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)的研究工作起步較晚，以歐洲和美國(guó)為代表的國(guó)外航天機(jī)構(gòu)在大功率SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)研制方面有許多成功的經(jīng)驗(yàn)。本文就SAR成像衛(wèi)星對(duì)電源系統(tǒng)的需求特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析，對(duì)歐洲研制并成功在軌運(yùn)行的具有代表性的幾顆SAR衛(wèi)星的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹與分析，以借鑒其成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)的SAR衛(wèi)星電源設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，提出我國(guó)后續(xù)SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的建議。

2 國(guó)外SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 地中海盆地觀測(cè)小衛(wèi)星星座電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地中海盆地觀測(cè)小衛(wèi)星星座（Cosmo-Skymed）包括4顆低軌衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星搭載一套X頻段合成孔徑雷達(dá)。Cosmo-Skymed系統(tǒng)由意大利航天局主導(dǎo)，意大利航天局與意大利國(guó)防部共同出資研制［1］。

Cosmo-Skymed衛(wèi)星載荷功率遠(yuǎn)大于平臺(tái)功率，衛(wèi)星成像任務(wù)要求電源具備高峰值功率，且載荷均為短時(shí)工作，整星功率需求如下：

（1）聚束模式：約19 k W，最長(zhǎng)10 s；

（2）條帶模式：約11 k W，最長(zhǎng)10 min；

（3）衛(wèi)星平臺(tái)功率不大于1 k W。

壽命末期（EOL）任務(wù)成像能力要求見(jiàn)表1。

表1 壽命末期成像能力需求Table 1 Imaging capability requirements at EOL

Cosmo-Skymed電源系統(tǒng)基于不調(diào)節(jié)系統(tǒng)，提供23～37.8 V范圍內(nèi)蓄電池組電壓作為母線(xiàn)電壓。其原理見(jiàn)圖1。設(shè)計(jì)方案主要特點(diǎn)有［1-2］：

（1）Cosmo-Skymed配置兩個(gè)太陽(yáng)翼，每翼由4塊太陽(yáng)電池板組成，每塊太陽(yáng)電池板包括4個(gè)分陣，其中2個(gè)分陣為7個(gè)支路并聯(lián)，2個(gè)分陣為6個(gè)支路并聯(lián)，每個(gè)支路為24個(gè)電池單體串聯(lián)組成，太陽(yáng)電池陣最終設(shè)計(jì)功率為壽命初期大于4500 W，壽命末期大于3800 W。

（2）太陽(yáng)電池陣使用太陽(yáng)電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成對(duì)日定向。

（3）鋰離子蓄電池組額定容量336 Ah，9串224并的配置，包括2016個(gè)單體，由8個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊由Sony US18650HC單體串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成，地影期放電深度為21.5%，光照期放電深度為13.4%，在壽命末期最長(zhǎng)地影、最大載荷工作條件下放電深度為35%，最大充電電流為60 A，蓄電池放電電壓最小值為26 V（壽命末期最大倍率放電），放電電壓平均值為35 V，在軌充電電壓最大設(shè)置值為37.8 V，蓄電池組在軌放電峰值電流可達(dá)775 A。

（4）電源控制器（Power Conditioning Unit，PCU）配置了10個(gè)直流-直流變換器（DC/DC）單元完成太陽(yáng)電池陣的功率調(diào)節(jié)，使用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）調(diào)節(jié)技術(shù)，壽命末期輸出功率3510 W（母線(xiàn)電壓28 V），PCU控制蓄電池組的充電，為整星加熱器提供能源，并且驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星火工裝置。

（5）蓄電池電流感應(yīng)器（Current Unit Sensor，CUS）測(cè)量蓄電池組充放電電流，確定蓄電池組充電階段并為PCU提供蓄電池電流控制環(huán)的反饋信號(hào)。

（6）保護(hù)與配電單元（Power Protection&Distribution Unit，PPDU）為平臺(tái)設(shè)備和SAR載荷電子設(shè)備提供受保護(hù)的配電線(xiàn)路，平臺(tái)配電路數(shù)67（最大容量80路），載荷配電路數(shù)80，使用保險(xiǎn)絲完成線(xiàn)路保護(hù)，線(xiàn)路之間相互冗余。

圖1 Cosmo-Skymed電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Eig.1 Cosmo-Skymed electrical power supply system block diagram

（7）SAR天線(xiàn)電源（SAR Antenna Power Supply，SAPS）由80個(gè)升壓變換器組成，提供SAR天線(xiàn)所需的能源，另外，為了抑制天線(xiàn)脈沖負(fù)載產(chǎn)生的傳導(dǎo)紋波，保證母線(xiàn)品質(zhì)，SAPS包括了必需的差模和共模濾波器。

（8）電源系統(tǒng)質(zhì)量：320 kg。

值得注意的是，Cosmo-Skymed衛(wèi)星使用的是基于商用小容量Sony US18650 HC單體串-并聯(lián)結(jié)構(gòu)蓄電池組，截至2013年，已經(jīng)有超過(guò)100個(gè)航天器采用了這種小單體鋰離子電池組［3-4］。Cosmo-Skymed衛(wèi)星鋰離子蓄電池組外形見(jiàn)圖2。其主要特點(diǎn)有：

（1）免維護(hù)，無(wú)需復(fù)雜的鋰離子電池均衡管理、旁路故障隔離管理以及耗費(fèi)較多遙測(cè)資源的單體狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

（2）易于模塊化，且任何單體失效不易影響周?chē)鷨卧煽啃愿撸–osmo-Skymed衛(wèi)星蓄電池組可靠性0.999 5）。

（3）基于商用單體，研制周期短，成本低廉。

（4）內(nèi)阻非常低，適合瞬時(shí)大功率負(fù)載使用。

蓄電池在軌放電特性見(jiàn)圖3和圖4。

圖2 Cosmo-Skymed鋰離子蓄電池組示意圖Eig.2 Lithiumion battery for Cosmo-Skymed

圖3 聚束模式下電池組放電電流和電壓Eig.3 Battery discharge current and voltage during a spot product

圖4 條帶模式下蓄電池組放電電流與電壓Eig.4 Battery discharge current and voltage during a strip product

2.2 陸地雷達(dá)-X頻段衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸地雷達(dá)-X頻段衛(wèi)星（TerraSAR-X）是一顆用于科學(xué)研究和商業(yè)運(yùn)行的高分辨率SAR衛(wèi)星，由德國(guó)教育科技部、德國(guó)航天局及阿斯特里姆（Astrium）公司合作研制［5］。

TerraSAR-X衛(wèi)星載荷設(shè)置了多種成像模式，功率需求較大，短時(shí)峰值功率需求為5000 W；衛(wèi)星平臺(tái)功率需求在1000 W左右。

電源系統(tǒng)采用不調(diào)節(jié)母線(xiàn)體制，原理見(jiàn)圖5，設(shè)計(jì)方案主要特點(diǎn)有：

（1）電源系統(tǒng)采用不調(diào)節(jié)功率母線(xiàn)，電壓范圍35～50 V，峰值輸出功率5000 W；不調(diào)節(jié)母線(xiàn)通過(guò)6路大功率固態(tài)限流開(kāi)關(guān)（Latching Current Limiter，LCL）配電通路為SAR載荷供電，每路具備1200 W的配電能力，其中2路LCL為熱備份；此外不調(diào)節(jié)母線(xiàn)還為64路加熱器負(fù)載供電。

（2）太陽(yáng)電池陣使用最大功率跟蹤（MPPT）調(diào)節(jié)方式，額定功率1800 W；包括6個(gè)MPPT模塊，每個(gè)額定功率450 W，其中2個(gè)熱備份；MPPT模塊輸入電壓范圍：55～110 V，輸出電壓范圍35～51 V。

（3）為平臺(tái)設(shè)備配置了全調(diào)節(jié)功率母線(xiàn)，母線(xiàn)電壓28 V，輸出功率1500 W；由4個(gè)降壓DC/DC變換器對(duì)35～51 V的不調(diào)節(jié)母線(xiàn)進(jìn)行電壓控制，輸出28 V穩(wěn)定電壓，每個(gè)DC/DC變換器額定功率500 W，其中1個(gè)DC/DC變換器熱備份，并通過(guò)48路LCL配電通路為平臺(tái)設(shè)備供電。

（4）鋰離子蓄電池組為108 Ah，12串72并。

（5）系統(tǒng)配置6路大功率LCL支路；48路小功率LCL支路；4路火工品控制輸出；2×2二次電源模塊。

圖5 TerraSAR-X衛(wèi)星供配電原理框圖Eig.5 TerraSAR-X electrical power supply system block diagram

2.3 “哨兵”系列衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“哨兵”（Sentine-l）系列衛(wèi)星是歐洲哥白尼計(jì)劃空間部分的重要組成部分，Sentinel-1衛(wèi)星是全天時(shí)、全天候雷達(dá)成像衛(wèi)星，用于陸地和海洋觀測(cè)，首顆Sentinel-1A衛(wèi)星已于2014年4月3日發(fā)射。

Sentinel-1A衛(wèi)星為C頻段SAR對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，運(yùn)行在太陽(yáng)同步軌道上，軌道周期99 min，重復(fù)周期12 d，設(shè)計(jì)壽命7.25 a。衛(wèi)星采用意大利泰雷茲-阿萊尼亞空間公司的“意大利多用途可重構(gòu)衛(wèi)星平臺(tái)”（PRIMA），姿控系統(tǒng)采用三軸穩(wěn)定方式，定軌采用GPS，定軌精度每軸10 m。

Sentinel-1A衛(wèi)星設(shè)置了多種成像模式，工作時(shí)間分別為10 min、20 min不等，載荷峰值功率需求為6000 W；衛(wèi)星平臺(tái)功率需求為1000 W左右。

Sentinel-1A衛(wèi)星電源系統(tǒng)采用不調(diào)節(jié)母線(xiàn)體制，原理見(jiàn)圖6，設(shè)計(jì)方案主要特點(diǎn)有［6］：

（1）電源系統(tǒng)采用不調(diào)節(jié)母線(xiàn)體制，不調(diào)節(jié)母線(xiàn)電壓變化范圍49～65 V。

（2）太陽(yáng)電池陣使用MPPT功率調(diào)節(jié)方式，最大限度地利用太陽(yáng)電池陣輸出能量，MPPT功率調(diào)節(jié)器輸出與蓄電池組直接相連，形成不調(diào)節(jié)母線(xiàn)輸出。

（3）系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)備使用28 V全調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)母線(xiàn)，由DC/DC變換器從不調(diào)節(jié)母線(xiàn)降壓變換后輸出。

（4）電源分系統(tǒng)采用2個(gè)太陽(yáng)電池翼，每個(gè)太陽(yáng)電池翼由5塊太陽(yáng)電池板組成，壽命末期平均功率為4.8 k W，采用三結(jié)砷化鎵電池。鋰離子電池使用ABSL公司的小容量Sony US18650 HC商用單體通過(guò)串-并聯(lián)結(jié)構(gòu)組合，額定容量為324 Ah。

（5）系統(tǒng)不調(diào)節(jié)母線(xiàn)配置了62路LCL保護(hù)配電線(xiàn)路，54路熱控供電與調(diào)節(jié)配電線(xiàn)路。

（6）系統(tǒng)全調(diào)節(jié)母線(xiàn)配置了32路LCL保護(hù)配電線(xiàn)路。

（7）系統(tǒng)使用1553B總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)與星務(wù)計(jì)算機(jī)的通信。

圖6 Sentinel-1A衛(wèi)星電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Eig.6 Sentinel-1A electrical power supply system block diagram

2.4 地球云、氣溶膠與輻射探測(cè)者衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地球云、氣溶膠與輻射探測(cè)者（EarthCARE）衛(wèi)星為歐洲-日本合作項(xiàng)目，衛(wèi)星配置有大氣激光雷達(dá)、地球云雷達(dá)以及多光譜相機(jī)等，用于探測(cè)地球云、氣溶膠與輻射間的相互作用關(guān)系以及其對(duì)地球氣候的影響，是一顆運(yùn)行在400 km高的極軌道地球觀測(cè)衛(wèi)星。

EarthCARE衛(wèi)星載荷峰值功率需求3000 W左右，工作時(shí)間接近50 min，其中大氣激光雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率（PRE）為51 Hz，占空比約為80%；衛(wèi)星平臺(tái)功率需求為1500 W左右。

EarthCARE衛(wèi)星電源系統(tǒng)采用不調(diào)節(jié)母線(xiàn)體制，設(shè)計(jì)方案主要特點(diǎn)有［7］：

（1）衛(wèi)星電源系統(tǒng)使用28 V不調(diào)節(jié)母線(xiàn)，母線(xiàn)電壓在25～34 V之間，極端情況下不低于20 V。

（2）太陽(yáng)電池陣使用最大功率跟蹤調(diào)節(jié)技術(shù)，最大限度利用太陽(yáng)電池陣能量，配置了5個(gè)MPPT模塊，向母線(xiàn)的輸出能力為4500 W。

（3）衛(wèi)星使用單側(cè)太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)，共5塊太陽(yáng)電池板，安裝在+Y側(cè)，有效面積21.5 m2，太陽(yáng)電池陣使用三結(jié)砷化鎵電池，通過(guò)SADA實(shí)現(xiàn)對(duì)日定向。

（4）鋰離子電池使用ABSL公司的小容量Sony US18650HC商用單體通過(guò)串-并聯(lián)結(jié)構(gòu)組合，容量為324 Ah，蓄電池組為3個(gè)8串72并模塊，電壓范圍20～33.6 V，質(zhì)量96 kg，比能量97.5 Wh/kg。

（5）配置了80路LCL保護(hù)的配電線(xiàn)路，144路加熱器配電線(xiàn)路與32路火工品配電線(xiàn)路，容量在1～60 A。

（6）對(duì)平臺(tái)必需的電子設(shè)備配置了6路可折返限流配電線(xiàn)路。

（7）使用1553總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)與星務(wù)計(jì)算的通信。

2.5 雷達(dá)衛(wèi)星-2電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷達(dá)衛(wèi)星-2（Radarsat-2）是一顆搭載C頻段傳感器的高分辨率商用雷達(dá)衛(wèi)星，運(yùn)行于太陽(yáng)同步軌道，軌道周期100 min，壽命7.25 a，由加拿大航天局與MDA公司合作，于2007年12月14日在哈薩克斯坦拜努爾基地發(fā)射升空。

雷達(dá)衛(wèi)星-2載荷為短期工作，峰值功率需求為3000 W，平臺(tái)功率需求不超過(guò)1000 W。

衛(wèi)星電源系統(tǒng)采用不調(diào)節(jié)母線(xiàn)體制，原理見(jiàn)圖7，設(shè)計(jì)方案主要特點(diǎn)有［8］：

（1）雷達(dá)衛(wèi)星-2電源系統(tǒng)采用不調(diào)節(jié)母線(xiàn)的電源拓?fù)浞绞?，并最大化降低PCU元器件質(zhì)量，能產(chǎn)生21～35 V范圍內(nèi)的不調(diào)節(jié)一次母線(xiàn)，給負(fù)載用電設(shè)備供電。

（2）太陽(yáng)電池陣功率調(diào)節(jié)使用基于MPPT的功率控制技術(shù)，PCU通過(guò)模塊化的降壓DC-DC變換器將功率變換至一次母線(xiàn)，優(yōu)化太陽(yáng)電池發(fā)電效能、降低飛行產(chǎn)品成本。此外，在生命周期內(nèi)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方式能夠滿(mǎn)足SAR高峰值功率載荷的短時(shí)峰值供電需求，該功率數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于太陽(yáng)電池陣所能提供的發(fā)電容量。

（3）衛(wèi)星使用氫鎳蓄電池組儲(chǔ)能，蓄電池組直接掛在不調(diào)節(jié)一次母線(xiàn)上。

（4）蓄電池組由23個(gè)單體單元組成，額定容量97 Ah，提供陰影期所有載荷的供電需求，同時(shí)在光照期內(nèi)與太陽(yáng)電池電路聯(lián)合供電，以滿(mǎn)足SAR載荷峰值功率供電需求。

圖7 雷達(dá)衛(wèi)星-2的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Eig.7 Radarsat-2 electrical power supply system block diagram

（5）衛(wèi)星配置雙太陽(yáng)翼，每翼3塊太陽(yáng)電池板，太陽(yáng)電池陣使用單結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，壽命初期發(fā)電容量3400 W，壽命末期發(fā)電容量2400 W。

（6）負(fù)載配電單元（Payload Distribution Unit，PLDU），為載荷提供配電及保護(hù)功能。

3 電源系統(tǒng)需求特點(diǎn)分析與設(shè)計(jì)方案總結(jié)

3.1 需求特點(diǎn)分析

國(guó)外SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)的特點(diǎn)由衛(wèi)星的供電需求決定，從上述典型的SAR衛(wèi)星任務(wù)來(lái)看，衛(wèi)星對(duì)電源系統(tǒng)的需求主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

（1）載荷的成像模式多，峰值功率大。其基本成像模式有聚束模式、條帶模式和掃描模式，每種成像模式的針對(duì)性、工作時(shí)間和功率需求各不相同。以Cosmo-Skymed為例，其聚束成像模式每次最大持續(xù)時(shí)間為10 s，功率需求為19 k W，條帶或掃描模式每次最大持續(xù)時(shí)間為10 min，功率需求為11 k W，電源系統(tǒng)需能滿(mǎn)足較大的峰值功率需求。

（2）衛(wèi)星有較大的載荷平臺(tái)功率比。Cosmo-Skymed的載荷峰值功率為19 k W，而平臺(tái)功率不大于1 k W，其載荷與平臺(tái)功率相差十分懸殊，電源系統(tǒng)須統(tǒng)籌考慮平臺(tái)設(shè)備供電需求與載荷設(shè)備供電需求，以系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法對(duì)衛(wèi)星電源系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與母線(xiàn)體制進(jìn)行全面的論證比較。

（3）衛(wèi)星載荷為短時(shí)工作。與通信衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星不同，SAR衛(wèi)星要求電源系統(tǒng)能夠適應(yīng)其頻繁的大功率加減載需求，具體而言，電源系統(tǒng)首先要滿(mǎn)足衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)備的高品質(zhì)供電需求，為平臺(tái)設(shè)備提供高品質(zhì)的供電母線(xiàn)；其次要求電源系統(tǒng)輸出阻抗極低，具備瞬時(shí)大功率輸出能力以快速響應(yīng)載荷需求，并在加減載過(guò)程中保持電源系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，可靠地提供短期載荷峰值功率與平臺(tái)負(fù)載長(zhǎng)期功率的供給。

（4）衛(wèi)星載荷為脈沖功率工作。對(duì)SAR衛(wèi)星載荷而言，無(wú)論是發(fā)射接收組件還是固放，均以不同的脈沖重復(fù)頻率（PRE）脈沖工作，其PRE一般為1～5000 Hz，大功率SAR載荷的脈沖工作會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)非常大的電磁干擾［9］，使供電母線(xiàn)紋波增加，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，這就要求電源系統(tǒng)具備較強(qiáng)的紋波吸收能力與功率濾波能力，確保平臺(tái)設(shè)備與載荷設(shè)備的供電安全。

3.2 設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)總結(jié)

以上對(duì)歐洲和加拿大典型SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)的方案進(jìn)行了介紹，分析了電源系統(tǒng)的拓?fù)錁?gòu)成、系統(tǒng)配置、性能指標(biāo)和功率調(diào)節(jié)控制方法，通過(guò)對(duì)以上內(nèi)容的總結(jié)分析，可以看到其電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案有以下特點(diǎn)：

1）電源系統(tǒng)均采用不調(diào)節(jié)母線(xiàn)體制

不調(diào)節(jié)母線(xiàn)具有極低的輸出阻抗，最大限度的滿(mǎn)足了短期峰值負(fù)載和脈沖負(fù)載的供電需要，非常適合SAR衛(wèi)星電源的使用要求，因此歐洲SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)普遍采用不調(diào)節(jié)電壓母線(xiàn)系統(tǒng)（如Cosmo-Skymed，TerraSar-X，Sentine-1，Radarsat-2等），但另一方面也應(yīng)看到，不調(diào)節(jié)母線(xiàn)電壓變化范圍較大，對(duì)輸入電壓要求較高的用電設(shè)備需經(jīng)過(guò)二次變換，增加了后級(jí)電源變換的復(fù)雜性［10-11］。

2）為平臺(tái)設(shè)備配置了高品質(zhì)全調(diào)節(jié)母線(xiàn)

相對(duì)于SAR載荷的脈動(dòng)型峰值功率，平臺(tái)設(shè)備多為穩(wěn)定的負(fù)載，且需要高品質(zhì)的母線(xiàn)以實(shí)現(xiàn)高效率、精確的衛(wèi)星控制，因此上述SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)為平臺(tái)設(shè)備配置了高品質(zhì)的全調(diào)節(jié)母線(xiàn)，以滿(mǎn)足高質(zhì)量的供電需求；值得注意的是，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的全調(diào)節(jié)母線(xiàn)不同于雙獨(dú)立母線(xiàn)的配置，全調(diào)節(jié)母線(xiàn)由主母線(xiàn)經(jīng)DC/DC變換后輸出，而無(wú)需配置兩套太陽(yáng)電池陣與蓄電池組，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)電池陣和蓄電池組的高效利用。

3）太陽(yáng)電池陣均使用MPPT功率調(diào)節(jié)方式

根據(jù)對(duì)太陽(yáng)電池陣所發(fā)出的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式，有分流（如S3R/S4R）調(diào)節(jié)和MPPT控制兩種。目前，國(guó)外多傾向于采用MPPT的電源調(diào)節(jié)方式（如Cosmo-Skymed，TerraSar-X，Sentinel-1，Radarsat-2等），MPPT輸出端與蓄電池組直接連接，形成不調(diào)節(jié)母線(xiàn)，對(duì)于太陽(yáng)電池陣光照條件與工作溫度多變的軌道使用MPPT調(diào)節(jié)方式可以有效減小太陽(yáng)電池陣面積，進(jìn)而降低研制成本；另外使用MPPT調(diào)節(jié)方式可有效利用太陽(yáng)電池陣，蓄電池充電時(shí)間更短，可有效響應(yīng)突發(fā)的任務(wù)規(guī)劃，降低能源系統(tǒng)對(duì)任務(wù)規(guī)劃的約束。

4）廣泛使用基于商用小容量單體的S-P結(jié)構(gòu)鋰離子蓄電池組

歐洲航天局（ESA）有相當(dāng)一部分衛(wèi)星使用了基于商用小容量鋰離子單體的串-并聯(lián)結(jié)構(gòu)蓄電池組（如Cosmo-Skymed，Sentinel-1，Earth CARE），這種結(jié)構(gòu)的蓄電池組利用商用單體集成，小單體一致性好，易于模塊化，通過(guò)先串后并的方式可以實(shí)現(xiàn)蓄電池組的高可靠性與超低內(nèi)阻，且蓄電池組不需要均衡管理與旁路隔離管理以及單體監(jiān)測(cè)，可免于復(fù)雜的維護(hù)操作，并有效提高系統(tǒng)可靠性、降低系統(tǒng)成本。截至2013年，已經(jīng)有超過(guò)100個(gè)航天器采用了這種小單體鋰離子蓄電池組。

4 啟示

通過(guò)以上對(duì)歐洲和加拿大的SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)需求特點(diǎn)以及解決方案的分析與總結(jié)，為我國(guó)SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)如下啟示：

1）加強(qiáng)復(fù)合母線(xiàn)體制的研究與應(yīng)用

由本文的內(nèi)容可以看出，歐洲和加拿大SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)多配置了復(fù)合母線(xiàn)體制，即主母線(xiàn)為不調(diào)節(jié)母線(xiàn)，全調(diào)節(jié)母線(xiàn)由主母線(xiàn)經(jīng)DC/DC變換輸出，此種結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)不調(diào)節(jié)母線(xiàn)，又區(qū)別于雙獨(dú)立母線(xiàn)的配置，復(fù)合母線(xiàn)可以在高效利用太陽(yáng)電池陣和蓄電池組的同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙母線(xiàn)輸出，滿(mǎn)足平臺(tái)設(shè)備和載荷設(shè)備不同的供電需求；高效的功率濾波技術(shù)是復(fù)合母線(xiàn)體制的關(guān)鍵技術(shù)之一，我國(guó)應(yīng)開(kāi)展復(fù)合母線(xiàn)體制的研究，尤其是大功率濾波技術(shù)的研究，為復(fù)合母線(xiàn)體制的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2）深入開(kāi)展MPPT功率調(diào)節(jié)方式的研究，及早開(kāi)展在軌應(yīng)用

MPPT功率調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用可以有效提高電源系統(tǒng)的效能，尤其對(duì)峰值功率、脈沖工作的SAR載荷而言，在任務(wù)規(guī)劃方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；國(guó)外低軌衛(wèi)星及深空探測(cè)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用了MPPT功率調(diào)節(jié)技術(shù)，大量的在軌飛行經(jīng)歷也驗(yàn)證了MPPT技術(shù)的可靠性；而我國(guó)的MPPT技術(shù)尚處于研發(fā)階段，未有在軌飛行經(jīng)歷，應(yīng)及早開(kāi)展MPPT功率調(diào)節(jié)技術(shù)研發(fā)成果的在軌飛行驗(yàn)證，為MPPT技術(shù)的大規(guī)模在軌應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

3）重視基于商用單體的低成本高可靠蓄電池組研究

基于商用小容量鋰離子單體的串-并聯(lián)結(jié)構(gòu)蓄電池組具有低成本、高可靠、免維護(hù)、低內(nèi)阻等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于SAR載荷衛(wèi)星；商用小單體蓄電池組在歐洲、美國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家研制的航天器上得到了廣泛的應(yīng)用，而我國(guó)尚未對(duì)此開(kāi)展深入的研究，建議在宇航級(jí)大單體鋰離子蓄電池組成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)上，開(kāi)展基于商用單體的低成本高可靠蓄電池組研究，以有效提高電源系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比，提升整星的競(jìng)爭(zhēng)力。

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［1］Marco Manfreda，Stefano Costantini，et al.Cosmo-Skymed electrical power system in flight performances［C］//Proceedings of the 8th European Space Power Conference.Paris：ESA，2008：1-7

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［10］帕特爾.航天器電源系統(tǒng)［M］.韓波，陳琦，崔曉婷，譯.北京：中國(guó)宇航出版社，2010 Patel M R.Spacecraft power systems［M］.Han Bo，Chen Qi，Cui Xiaoting，translated.Beijing：China Astronautics Press，2010（in Chinese）

［11］李國(guó)欣.航天器電源系統(tǒng)技術(shù)概論［M］.北京：中國(guó)宇航出版社，2008：1233-1240 Li Guoxin.An introduction to spacecraft power system technology［M］.Beijing：China Astronautics Press，2008：1226-1233（in Chinese）

（編輯：李多）

Analysis and Enlightenment of Electrical Power System for SAR Satellite

ZHANG Xiaofeng ZHANG Wenjia GUO Weifeng LIN Wenli LIU Zhigang
（Beijing Institued of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

The electrical power systems of European and Canadian synthetic aperture radar（SAR）satellites are introduced.The characteristics of SAR satellite electrical power system were presented in details，particular emphasis is put into such aspects as various imaging modes，peak loads demand，high power ratio of payload to platform，as well as.All those requirements bring challenges to the design of electrical power system；the in orbit electrical power system schemes of European and Canadian SAR satellite are presented and analyzed，including Cosmo-Skymed，TerraSAR-X，Radarsat-2，Sentinel-1 and EarthCARE，and the system topology characteristic，bus architecture characteristic，regulation mode for output solar array power and Li-ion battery configuration were analyzed and summarized.At the end of the paper，development suggestions for SAR satellite electrical power system are given.

SAR satellite；electrical power system；design scheme

V422

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.017

2015-02-06；

2015-03-26

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)工程

張曉峰，男，工程師，從事航天器電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)工作。Email：zhangxiaofengcast@163.com。